磷石膏煅燒建筑石膏技術(shù)及應(yīng)注意的問題

何勤，張瓊瓊，陳勇，方文倉(cāng)

（中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的通知》（國(guó)發(fā)[2016]65號(hào)）中強(qiáng)調(diào)：“重點(diǎn)開展100家磷礦采選和磷化工企業(yè)生產(chǎn)工藝及污水處理設(shè)施建設(shè)改造。大力推廣磷銨生產(chǎn)廢水回用，促進(jìn)磷石膏的綜合加工利用，確保磷酸生產(chǎn)企業(yè)磷回收率達(dá)到96%以上?！薄蛾P(guān)于推進(jìn)化肥行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的指導(dǎo)意見》（工信部原[2015]251號(hào)）中指出：加大資源回收利用和廢棄物綜合利用，做好磷礦資源中氟、硅、鎂、鈣、碘等資源的回收利用以及磷石膏制高端石膏產(chǎn)品。提高磷石膏開發(fā)利用水平，到2020年，磷石膏綜合利用量從目前年生產(chǎn)量的30%提高到50%。工信部《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016～2020年）》（工信部規(guī)[2016]225號(hào)）中指出：到2020年，大宗工業(yè)固體廢棄物綜合利用量達(dá)21億t，磷石膏利用率達(dá)40%，粉煤灰利用率達(dá)75%。

我國(guó)是第一農(nóng)業(yè)大國(guó)，同時(shí)也是第一大磷肥生產(chǎn)國(guó)。在生產(chǎn)磷肥的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)磷石膏。2014年我國(guó)磷石膏產(chǎn)量高達(dá)7600萬(wàn)t，各種途徑的磷石膏利用量合計(jì)為2300萬(wàn)t，年綜合利用率為30.3%，大量的磷石膏仍被堆放，并且磷石膏的排放量還在逐年遞增[1]。而目前我國(guó)絕大部分磷石膏的處理方式為露天堆放，這種處理方式存在著以下問題：（1）磷石膏堆放占用大量土地，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間堆放會(huì)使磷石膏砂化，導(dǎo)致占地費(fèi)用連年增加，企業(yè)成本也相應(yīng)增加，造成產(chǎn)品純利潤(rùn)減少，失去競(jìng)爭(zhēng)力；（2）磷石膏中含有磷、氟等酸性雜質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間堆放會(huì)污染地下水源，造成環(huán)境污染[2]。為此，磷化工企業(yè)為磷石膏的堆放進(jìn)行了防滲、抗?jié)B的設(shè)計(jì)與改造，盡可能減少對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。但是，這還是治標(biāo)而非治本，不能滿足國(guó)家提出“著力解決突出的環(huán)境問題，加快生態(tài)文明建設(shè)”的要求[3]。因此，加強(qiáng)對(duì)磷石膏的資源化利用，一方面，高效地消耗堆積的磷石膏，解決土地侵占和環(huán)境污染等問題；另一方面，也促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有重要的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義[4]。其中用磷石膏生產(chǎn)建筑石膏就是一種很好的資源化利用方向。

1 主要工藝技術(shù)

磷石膏生產(chǎn)建筑石膏就是將磷石膏中的二水石膏通過(guò)干燥脫去自由水、煅燒脫去1.5份結(jié)晶水轉(zhuǎn)變成半水石膏。目前，國(guó)內(nèi)外由磷石膏制備建筑石膏主要采用的是烘烤法，即：磷石膏廢渣→無(wú)害化處理→干燥→煅燒→粉磨→冷卻→陳化→成品。

1.1 磷石膏預(yù)處理技術(shù)

磷石膏的主要成分為 CaSO4·2H2O，pH 值為 1.5～4.5，呈酸性，含水率很高，為20%～30%，含有未分解的磷礦、未洗滌干凈的磷酸、氟化鈣、鐵鋁氧化物、氟、酸不溶物及有機(jī)物等多種雜質(zhì)。

磷石膏因其雜質(zhì)的影響，要直接用于生產(chǎn)石膏建材，應(yīng)進(jìn)行一定的預(yù)處理。常用的預(yù)處理工藝有水洗、浮選、石灰中和、復(fù)合固化等。

可靠的方法是水洗法處理：用粗篩將磷石膏中的大塊雜物篩分去除，經(jīng)過(guò)計(jì)量喂料皮帶進(jìn)入成漿槽，加水?dāng)嚢杈鶆蚝蟊萌敫∵x槽，去除有機(jī)物后進(jìn)入粗渣分離器去除石英、未分解的磷灰石等難溶的大顆粒雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)濾機(jī)過(guò)濾的物料固液分離后存放在磷石膏原料堆場(chǎng)備用，實(shí)現(xiàn)磷石膏的減量化、資源化綜合利用。過(guò)濾液經(jīng)石灰中和、沉淀后回到水系統(tǒng)重新利用，實(shí)現(xiàn)洗滌水零排放。

目前最常用的方法是石灰中和法：將堆放數(shù)年的磷石膏與石灰按一定的比例混合均化，并在堆場(chǎng)堆放一定時(shí)間，讓其進(jìn)行充分的反應(yīng)與穩(wěn)定，這樣磷石膏的可溶性磷基本去除，生產(chǎn)出來(lái)的建筑石膏質(zhì)量可靠，石膏制品的性能也穩(wěn)定，基本沒有返潮、不粘紙和銹蝕釘子等現(xiàn)象。

1.2 磷石膏干燥與煅燒技術(shù)

目前，磷石膏煅燒建筑石膏粉的生產(chǎn)工藝主要有“一步法”和“兩步法”2種。

一步法工藝流程為：磷石膏從原料存放場(chǎng)經(jīng)鏟車裝入給料箱，經(jīng)調(diào)速皮帶送入濕料倉(cāng)。濕料倉(cāng)中的物料用計(jì)量秤計(jì)量后喂入烘干煅燒一體設(shè)備中，充分干燥煅燒后經(jīng)袋式收塵器，由螺旋、提升機(jī)送入改性磨研磨，改性后由提升機(jī)、喂料螺旋至冷卻器中進(jìn)行冷卻，穩(wěn)定物料的性能，然后經(jīng)提升機(jī)提升，螺旋或拉鏈機(jī)水平輸送進(jìn)入建筑石膏陳化儲(chǔ)料倉(cāng)。工藝流程見圖1。

圖1 “一步法”煅燒建筑石膏粉生產(chǎn)工藝流程

兩步法工藝流程為：磷石膏經(jīng)鏟車裝入給料箱，計(jì)量后經(jīng)皮帶送入濕料倉(cāng)。濕料倉(cāng)中的物料計(jì)量后經(jīng)給料機(jī)送入烘干設(shè)備中，充分干燥后經(jīng)袋式收塵器，由螺旋輸送機(jī)送入提升機(jī)等喂入煅燒設(shè)備，煅燒完畢后，由螺旋、提升機(jī)送入改性磨研磨，改性后由提升機(jī)、喂料螺旋送至冷卻器中進(jìn)行冷卻，穩(wěn)定物料的性能，然后經(jīng)提升機(jī)提升，螺旋或拉鏈機(jī)水平輸送進(jìn)入建筑石膏陳化儲(chǔ)料倉(cāng)。煅燒和預(yù)烘干的尾氣經(jīng)布袋除塵、洗滌后排空。生產(chǎn)工藝流程如圖2。

圖2 “兩步法”煅燒建筑石膏粉生產(chǎn)工藝流程

兩步法煅燒制備石膏粉的加工核心環(huán)節(jié)是煅燒，煅燒設(shè)備主要有沸騰爐和炒鍋2種。沸騰爐的工作原理為：固體物料在爐內(nèi)被向上流動(dòng)的氣流托起，在一定的高度范圍內(nèi)作上下翻滾運(yùn)動(dòng)，并以流態(tài)化狀態(tài)與熱風(fēng)管進(jìn)行熱交換而實(shí)現(xiàn)煅燒石膏的功能。炒鍋的工作原理為：物料在鍋內(nèi)由攪拌器攪動(dòng)而帶來(lái)流動(dòng)，并使物料不斷與鍋底的明火及與鍋內(nèi)換熱管的熱煙氣進(jìn)行熱交換，而實(shí)現(xiàn)煅燒的功能。

2 應(yīng)注意的問題

2.1 物料基本性質(zhì)

用于建材行業(yè)的磷石膏的放射性應(yīng)符合GB 6566—2001《建筑材料放射性核素限量》中的規(guī)定。

磷石膏本身具有雜質(zhì)種類多的特點(diǎn)，需要進(jìn)行無(wú)害化處理。對(duì)于水洗的工藝需要注意對(duì)洗滌水的零排放處理，不要形成新的污染；對(duì)于中和處理，石灰的用量不能過(guò)多，中和后的磷石膏以pH值在6～7為好。并且一定要堆放半年后才能使用。

磷石膏的無(wú)害化預(yù)處理，在技術(shù)可靠的前提下，還需要注意其經(jīng)濟(jì)性，盡可能地降低預(yù)處理的綜合成本。

建議制訂專用于建筑石膏制備的磷石膏標(biāo)準(zhǔn)。

建議磷化工企業(yè)與下游磷石膏利用企業(yè)深度融合，將磷石膏的清洗工作前置到磷化工企業(yè)。使出廠的磷石膏中可溶性磷含量小于0.04%，氟含量小于0.01%。

2.2 濕物料的輸送

由于磷石膏具有含水量高和弱酸性的特點(diǎn)，輸送設(shè)備的選擇需全面考慮，一是要考慮濕物料易粘料的特性，二是要考慮對(duì)設(shè)備的腐蝕等問題。目前應(yīng)用的主要輸送設(shè)備有：喂料箱、皮帶輸送機(jī)、自清潔鎖風(fēng)閥等。

喂料箱是磷石膏應(yīng)用的第一臺(tái)設(shè)備，箱內(nèi)需要涂覆憎水性的材料，才能保證磷石膏基本不粘在箱壁上，讓磷石膏能用皮帶機(jī)拉出。

皮帶機(jī)的提升距離較長(zhǎng)，可以輸送粘度較大的物料；選用皮帶時(shí)應(yīng)注意盡可能選光滑面的皮帶。

斗式提升機(jī)主要用于垂直提升，不適用于含水量大的物料。若現(xiàn)場(chǎng)條件不允許布置皮帶機(jī)，則要使用提升機(jī)，并對(duì)提升機(jī)進(jìn)行特殊的處理，需將鋼斗更換成特氟龍材料制成的料斗。螺旋輸送機(jī)主要用于水平輸送，同樣不適用于含水量大的物料，若要使用，需采用憎水性材料做其內(nèi)部襯板。各個(gè)溜管溜子等內(nèi)部均需做防粘襯板。因此，在選擇輸送、計(jì)量設(shè)備時(shí)盡量選擇防粘性較好的設(shè)備。

2.3 濕物料的準(zhǔn)確計(jì)量

為了煅燒出高質(zhì)量的建筑石膏，需要對(duì)原料進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量，要特別注意到濕物料的粘性特性。選擇濕料倉(cāng)（見圖3），配合其變頻可調(diào)的卸料能力及精準(zhǔn)的皮帶秤計(jì)量（見圖4），能給烘干煅燒精準(zhǔn)供料，給烘干煅燒的產(chǎn)品質(zhì)量提供最基本保證。

圖3 濕料倉(cāng)構(gòu)造示意

圖4 皮帶秤構(gòu)造示意

2.4 烘干煅燒設(shè)備選擇

根據(jù)能源的不同，烘干煅燒設(shè)備需選擇不同的生產(chǎn)工藝與設(shè)備，并注意不同工藝煅燒設(shè)備的適用性。

原料石膏的烘干設(shè)備主要有錘式烘干煅燒磨和蒸汽回轉(zhuǎn)窯2種。這2種設(shè)備也可以作為一步法煅燒用。

2.4.1 以煤或天然氣作能源

錘式烘干磨既可作為單獨(dú)的烘干功能，也可作為烘干煅燒一步法功能，具有流程簡(jiǎn)單、熱效率高、投資少的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是由于其溫度過(guò)高，作為煅燒用時(shí)，容易造成物料表面過(guò)燒形成無(wú)水石膏而內(nèi)部仍然是二水石膏。作為兩步法，注意裝機(jī)功率偏大及投資偏高的缺點(diǎn)。但兩步法產(chǎn)品性能更穩(wěn)定，初終凝時(shí)間可調(diào)，更能適合建筑石膏的各種用途。

原料石膏的煅燒設(shè)備主要有沸騰爐和炒鍋2種。其中，沸騰爐的特點(diǎn)是：（1）設(shè)備小巧，生產(chǎn)能力大；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易損壞；（3）設(shè)備緊湊，占地少；（4）配套設(shè)備裝機(jī)功率略大；（5）操作方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；（6）熟石膏相組成比較理想，物理性能比較穩(wěn)定；（7）投資少。炒鍋的特點(diǎn)是：（1）化學(xué)反應(yīng)速度快；（2）熱效率高；（3）裝機(jī)功率?。唬?）易于自動(dòng)化控制；（5）熟石膏相組成理想，物理性能穩(wěn)定，初、終凝時(shí)間可調(diào)且穩(wěn)定；（6）產(chǎn)量受限；（7）投資較高。

烘干煅燒主要要求在熱煙氣風(fēng)量不變條件下，溫度可調(diào)，物料進(jìn)出量由出料溫度精確控制，從而保證生產(chǎn)出合格的好產(chǎn)品。

兩步法注意外排的空氣濕度控制，保證收塵設(shè)備的收塵效果，同時(shí)也需要注意收塵進(jìn)風(fēng)的分配，保證收塵設(shè)備濾袋壽命。

注意熱煙氣尾氣能量再利用，將熱煙氣的尾氣導(dǎo)熱至烘干工段，可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，降低烘干煅燒的總能耗，實(shí)現(xiàn)煅燒烘干1 t磷石膏僅需要85 kg標(biāo)煤。

2.4.2 以電廠或磷化工廠蒸汽作熱源

烘干通常采用蒸汽回轉(zhuǎn)窯和空心軸雙螺旋干燥機(jī)，蒸汽回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)點(diǎn)是熱量均勻，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維修量少，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是設(shè)備占地面積多，投資大?？招妮S雙螺旋干燥機(jī)設(shè)備投資省，比較適應(yīng)年產(chǎn)3萬(wàn)t以下的建筑石膏煅燒線，設(shè)備大型化能力低，產(chǎn)量小，需要多臺(tái)設(shè)備并聯(lián)才能滿足大產(chǎn)能的要求，另外設(shè)備磨損大，故障率高，維修工作量大，設(shè)備開機(jī)率低是其缺點(diǎn)。

選用蒸汽回轉(zhuǎn)窯時(shí)特別需要注意自由水含量超15%情況下效率降低的問題，故磷石膏用蒸汽作熱源時(shí)，主要采用兩步法，提高煅燒設(shè)備的效率，并且熱能可以梯級(jí)利用，降低成本。

2.5 改性磨的選擇

改性磨主要有球磨機(jī)與渦輪式粉碎機(jī)2種選擇，粉磨改性是磷建筑石膏應(yīng)用良好的重要手段，它能消除泌水現(xiàn)象，減小攪拌機(jī)的功率。粉磨改性后的磷石膏比表面積宜為400～500 m2/kg。

球磨機(jī)球的主要特點(diǎn)為：（1）生產(chǎn)能力大，可滿足現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要；（2）粉碎比大，產(chǎn)品粒度均勻，混合效果好；（3）適應(yīng)性強(qiáng)；（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，操作可靠，維護(hù)管理方便，能長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；（5）工作效率低，能耗高；（6）占地面積大，費(fèi)用高；（7）磨機(jī)轉(zhuǎn)速低；（8）噪聲大。

渦輪式粉碎機(jī)的特點(diǎn)為：（1）生產(chǎn)能力相對(duì)較小，大能力需要多臺(tái)設(shè)備并聯(lián)；（2）粉碎能力強(qiáng)，能耗低，產(chǎn)品粒度相對(duì)較??；（3）設(shè)備體積較小，占用的空間較?。唬?）噪聲相對(duì)較?。唬?）設(shè)備需要常常更換渦輪上的刀片及篩網(wǎng)，在多臺(tái)并聯(lián)的情況下，工作量較大。

2.6 冷卻與陳化設(shè)備的選擇

煅燒好的半水石膏需要進(jìn)入冷卻器中進(jìn)行充分冷卻（見圖5），這是為了控制脫水后的半水石膏在高溫遇到空氣后又變回二水石膏，注意做好冷卻、穩(wěn)定建筑石膏的產(chǎn)品質(zhì)量是大型化紙面石膏板用磷石膏必須重視的。而均化、陳化主要是用于快速煅燒工藝，消除部分無(wú)水石膏，促使其轉(zhuǎn)化為二水石膏，穩(wěn)定石膏的品質(zhì)，便于后續(xù)生產(chǎn)使用。均化器是一個(gè)快速均化陳化的設(shè)備（見圖6），能使原來(lái)需要在陳化倉(cāng)內(nèi)陳化2～3 d的物料，在0.5～1 h內(nèi)陳化完成，并且原料陳化均勻，物料性能穩(wěn)定。冷卻、均化陳化磷建筑石膏是連續(xù)化、大型化、自動(dòng)化、穩(wěn)定生產(chǎn)紙面石膏板的重要手段。

圖5 回轉(zhuǎn)冷卻器

圖6 均化器

3 展望

綜上所述，本文主要介紹了國(guó)內(nèi)外磷石膏煅燒生產(chǎn)建筑石膏的主流技術(shù)，以及磷石膏煅燒建筑石膏的“一步法”和“兩步法”生產(chǎn)工藝流程。并提出了利用現(xiàn)存工藝生產(chǎn)建筑石膏時(shí)應(yīng)注意的問題。從目前來(lái)看，利用磷石膏生產(chǎn)建筑石膏的技術(shù)仍需改進(jìn)，并且希望能制定《建筑石膏用磷石膏》標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)磷石膏應(yīng)用于高強(qiáng)度墻板的生產(chǎn)技術(shù)。

現(xiàn)階段，全球發(fā)展中國(guó)家石膏膠凝材料約占水泥產(chǎn)量的6%～26%，我國(guó)石膏膠凝材料僅占三大膠凝材料的0.14%。同時(shí)，國(guó)內(nèi)脫硫石膏制備石膏建材的技術(shù)已日益成熟，而磷石膏的利用還處于初步階段。因此，利用磷石膏開發(fā)石膏膠凝材料無(wú)論對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)還是環(huán)境保護(hù)都具有重要意義。